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核电高压容器高效自动化磨削装备高速重载进给单元轻量化设计与可靠性研究

作　者: 符志华
导　师: 黄云
学　校: 重庆大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 高效磨削装备横梁轻量化拓扑优化可靠性
分类号: TL351.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

核反应堆压力容器、蒸发器、稳压器等核电装备制造过程涉及多道焊缝、焊根、焊筋等磨削关键工序。应生产的发展需求,重庆三磨海达磨床有限公司和重庆大学及重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心共同承担的国家高新技术研究发展计划(863)“核电高压容器高效磨削加工智能装备研制”的核电高压容器高效强力磨削智能加工装备设计出来后,为了提高装备的加工效率和加工质量,就需要对装备的各个部件进行分析,横梁是装备进给单元的重要部件,因此需要做横梁的受力分析和优化分析,减少横梁自身的重量,提高其结构刚度;减低其弯曲变形;还需要对动态和静态的响应进行相关的分析,提高横梁的动态特性;使工程技术人员在复杂的数学模型和众多的参数中找到最合理的求解,使机械结构和性能得到优化。随着现代计算机技术的飞速发展,有限元法已经发展成为一个十分重要的工程计算方法,在工程设计和研究中得到了广泛的应用。本文将有限元法引入该装备横梁的拓扑优化工作中,利用ANSYS软件和MSC.Fatigue软件用以实现设计过程中的横梁的轻量化和可靠性的理论分析。本课题主要的研究工作如下:①横梁及其功能部件的几何建模。利用Pro/E软件建立核电高压容器磨削装备及其横梁的三维几何模型。②对待分析的横梁进行简化,并且根据横梁在不同的工况下的进行受力分析。③根据横梁在不同工况下的受力,进行拓扑优化分析,再根据得到的数字模型进行静力分析和动态分析。给出横梁整体优化设计方案,满足进给单元的高速进给。④利用相关疲劳分析理论,研究横梁部件的疲劳寿命,为产品设计和设备维护保养提供相关依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-20
  1.1 选题的背景及研究意义  9-12
    1.1.1 选题的背景  9-11
    1.1.2 本课题的研究意义  11-12
  1.2 国内外轻量化设计研究现状  12-18
    1.2.1 轻量化研究的基本方法  12
    1.2.2 国外轻量化设计研究现状  12-15
    1.2.3 国内轻量化设计研究现状  15-18
  1.3 国内外的可靠性研究现状  18-19
  1.4 本课题来源及研究内容  19-20
    1.4.1 课题来源  19
    1.4.2 本课题主要的研究工作  19-20
2 有限元分析理论和拓扑优化技术  20-33
  2.1 有限元理论介绍  20-23
    2.1.1 有限元法概述  20
    2.1.2 有限元软件的结构及分析流程  20-21
    2.1.3 有限元法具体步骤  21-23
  2.2 有限元软件介绍  23-25
    2.2.1 有限元软件概述  23-24
    2.2.2 ANSYS 软件介绍  24-25
    2.2.3 软件功能简介  25
  2.3 拓扑优化技术  25-30
    2.3.1 拓扑优化的基本原理  26-27
    2.3.2 均匀化方法  27-30
  2.4 ANSYS 中拓扑优化  30-31
    2.4.1 ANSYS 中拓扑优化的方法  30-31
    2.4.2 ANSYS 拓扑优化的步骤  31
  2.5 本章小结  31-33
3 核电高压容器磨削装备的概况及处理  33-45
  3.1 核电高压容器磨削装备概况  33-34
  3.2 装备的数字建模  34-35
  3.3 横梁的简化  35-36
  3.4 横梁的约束简化  36
  3.5 横梁的受力分析  36-43
    3.5.1 磨削力的计算  36-39
    3.5.2 横梁的受力分析  39-43
  3.6 单元类型的选取和特性  43-44
    3.6.1 SOLID45 单元描述  43-44
    3.6.2 SOLID95 单元描述  44
  3.7 本章小结  44-45
4 核电高压容器磨削装备横梁的拓扑优化  45-63
  4.1 横梁的拓扑优化  45-54
    4.1.1 横梁拓扑优化参数的选择  45
    4.1.2 横梁拓扑优化过程的控制  45-46
    4.1.3 横梁拓扑优化的过程及结果  46-53
    4.1.4 拓扑优化的结果分析  53-54
  4.2 后处理和综合分析  54-62
    4.2.1 横梁拓扑前后的静力分析  55-57
    4.2.2 横梁的模态分析  57-62
  4.3 本章小结  62-63
5 横梁的可靠性分析  63-75
  5.1 疲劳分析理论  63-67
    5.1.1 材料抗疲劳机械性能  63-65
    5.1.2 材料的疲劳累计损伤理论  65-66
    5.1.3 雨流计数法  66-67
  5.2 疲劳分析方法  67-69
    5.2.1 名义应力法  68-69
    5.2.2 局部应力应变法  69
    5.2.3 振动寿命估算法  69
  5.3 横梁疲劳寿命分析结果  69-74
    5.3.1 MSC.Fatigue 软件介绍  69-70
    5.3.2 疲劳分析过程和结果  70-74
  5.4 本章小结  74-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 结论  75
  6.2 展望  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-82
附录  82
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  82
  B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目及专利  82

核电高压容器高效自动化磨削装备高速重载进给单元轻量化设计与可靠性研究

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